第8回水工学オンライン連続講演会

2021/3/9 17:00-19:00

地球規模の海洋プラスチック汚染における水工学研究愛媛大学 大学院理工学研究科
生産環境工学専攻 准教授 片岡智哉

講演の流れ1)研究年表2)地球規模の海洋プラスチック汚染と私の研究
3)若手研究者へのメッセージ
2

研究年表
年度

06

略歴

国交省 国交省 国総研
中部地整
(行政職)
(行政職)

領域

07

08

09

10

博士 (工学)を取得
学位論文: Measurement and application ofresidence time of plastic litter on beaches
11 12 13 14 15 16 17 18 19

国交省 国総研 沿岸域システム研究室
(研究職)

沿岸海洋

海岸（沿岸海洋）20

21

東京理科大学 (助教)

愛媛大学
(准教授)

河川（沿岸海洋）河川〜
沿岸海洋

短波海洋レーダシステムを活用した漂流ごみの動態解明

水環境

海岸・河川におけるプラスチックのセンシング技術の開発
海岸・河川におけるプラスチック汚染の実態解明

水災害

短波海洋レーダシステムを活用した津波・波浪のセンシング技術の開発
河川災害調査3

地球規模の海洋プラスチック汚染

オンタリオ湖におけPCBsの生物濃縮2500万倍

汚染MPを様々な栄養レベルの生物が摂取(Koelmans et al., 2013; Besseling et al., EST,2017; Tanaka et al., CB, 2020)

1. 疎水性をもつ有害汚染物質を吸着する
吸着
プラスチック中のPCBs濃度は，周辺海水中の10万倍〜100万倍(Mato et al., EST, 2001)

出典: http://www.pelletwatch.org/250倍

出典: 奪われし未来

プラスチックの耐性 (%)

2. 熱・紫外線で劣化が進行し，やがて微細化する
海域

マイクロプラスチック (MP)：5.0mm以下のプラスチック片荒川

陸域
暴露時間(月)(Andrady, MPB, 2011)

海洋プラスチック汚染は環境ホルモン問題の再来

4

海洋に流出したプラスチックは世界の海洋へ拡散

世界の主要河川から年間115-241万トンのプラスチックが海洋に流出

世界の海洋を浮遊するプラスチック量は27万トン（年間流入量の11%-23%）

Lebreton et al., Nature Commun. 2017
Eriksen et al., PLoSONE, 2014
12Woodall et al., R. Soc. Open. Sci., 2014

河川〜海岸〜沿岸海洋におけるプラスチック輸送過程に着目

346
5879

➡現地観測やセンシング技術
海底堆積物中のマイクロプラスチッ
ク量は表層水に比べて4桁大きい
10を駆使したプラスチック動態解明
1112➡ 海底がシンク？

5

陸域-海域におけるプラスチックフロー
河川

海岸

沿岸海洋

• 陸域-河川におけるプラスチックの動態
国内河川におけるプラスチック汚染の実態解明

河川浮遊プラスチックのリモートセンシング技術の開発

6

陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

河川におけるプラスチック汚染の実態解明
MP観測方法5-10 minロープ
プランクトンネット(目合 0.335 mm)

流心橋

MP分析方法
① MP候補物の抽出
濾過

濾過
酸化分解
目視抽出

flow

ろ水計

Microscope(SZX7, OLYMPUS)

Microbalance(XPR2UV, METTLERTOLEDO)Kataoka et al., Environ. Pollut., 201975cm

プランクトンネット（5512-C, RIGO）② MPサイズ・質量計測
1. サイズ

2. 質量30cm

ろ水計（5572, RIGO）③ MP材質特定④ MP濃度計測

ATR-FTIR(IRaffinity-1S,SHIMADZU)

MP濃度:
単位水量当たりのMP個数とMP質量(個/m3, mg/m3)

7

陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

Num
Mass
Line (Num)Line (Mass)

r=0.37, p<0.01(Num)r=0.32, p<0.01(Mass)

70 河川
90 地点

Num
Mass
Line (Num)Line (Mass)

r=0.47, p<0.01(Num)r=0.43, p<0.01(Mass)

人口密度[人/m3]MP濃度[個/m3]

人口密度[x103 人/km2]

MP数密度
Mean: 4 8 個/m3
Range: 0.03-60 個/m3MP質量濃度Mean: 0.8 1.9 mg/m3

市街地面積率[%]Range: 0.00008-16 mg/m3

MP平均濃度[個/m3, mg/m3]

MP濃度[個/m3, mg/m3]

国内河川マイクロプラスチック濃度マップ

NumMass

汚清Water quality class
Kataoka et al., Environ. Pollut., 2019; Nihei et al., Water, 2020

8

陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

マイクロプラスチック濃度は汚濁河川で高い

北海道新聞(2018/11/2掲載)

多くのメディアで報道(新聞:34紙,テレビ:3番組)
Kataoka et al., Environ. Pollut., 2019

人口が集中する市街地を流域にもつ汚濁河川でMP汚染が進行
沿岸部だけでなく、内陸部を含めたMP発生抑制対策が必要
本研究成果は科研費（若手研究A）及び河川基金の一部

9陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

10

河川浮遊ごみのリモートセンシング技術の開発
オリジナル画像江戸川・野田橋，
台風9号出水時（2007/9/7）

平滑化画像

色差画像

0 30 60 90120150

ごみ検出画像赤→人工青→自然テンプレート
マッチング

橋梁から動画
撮影

白っぽいごみ→人工系ごみ流れ

撮影: 二瓶泰雄教授@東京理科大学

輸送面積

ごみ検出画像（Δt後）

陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

マクロごみの輸送面積の検証

20種類の自然系・人工系ごみを用いた検証実験
長さ:20mFlow11

r = 0.996
p < 0.001

ビデオカメラ
高さ:1.8m

面積検証→計算精度:高幅:1m

理科大所有水路r = 0.879
p < 0.001
流速検証→計算精度:高本研究成果はダウ・ケミカル日本の受託研究の一部

Kataoka and Nihei, Sci. Rep., 2020

陸域-河川におけるプラスチックの動態解明

12

カメラを用いた河川浮遊ごみ監視システムの開発

元画像

ごみ検出画像

ごみ輸送量[g/s]

ごみ輸送量[g/s/m]

ごみ輸送量[g/s/m]

浮遊ごみの面積と質量の比較

今後の課題と展望・河川におけるマクロプラスチッ
ク量の連続計測・流域におけるプラスチック管理ツールとしての活用

カメラ

直接採取

LQ式（直接採取vsカメラ）
ごみ輸送面積[m2/s/m]

流量[m3/s]

対策前

対策後流量[m3/s]

Kataoka and Nihei, Sci. Rep., 2020

陸域-海域におけるプラスチックフロー
河川

海岸

沿岸海洋

• 河川-沿岸海洋におけるプラスチックの動態
沿岸海洋における漂流ごみの移流拡散過程の解明

13河川-沿岸海洋におけるプラスチックの動態解明

14沿岸海洋における漂流ごみの移流拡散過程
江戸川

荒川
多摩川

東京港

川﨑港

Stn.A
横浜港

港湾区域外で回収された漂流ごみの構成比率• 人工系ごみが少ない

Stn.B

千葉港

港湾区域外

Stn.C

→葦・草を対象y : 港湾管理者
による回収量F : 河川から横須賀港の流入量
河川

f : 港湾区域からの流入量

港湾区域
F=f +yKataoka et al., ECSS, 2013

よる回収量海岸

木更津港

High-frequency
radarz : 国交省に河川から東京湾への漂流ごみ流入量の推定

港湾区域外

two-way particle tracking model(Isobe et al., JAOT, 2009)
Lagrange multiplier method(Kako et al., JO, 2010)

河川-沿岸海洋におけるプラスチックの動態解明

152008年度における漂流ごみ流入量の推定結果
漂流ごみ流入量 vs 河川流量a) 河川流量(荒川, 江戸川, 多摩川)

R2 = 0.23(p < 0.01)

L = 2.12 × 10−3Q 1.33

Estimated vol.

b) 2008年度漂流ごみ流入量• 漂流ごみ流入量は河川流量に依存する

Fresh• 年間漂流ごみ流入量の多くが water
Debris
出水時に流入する
inflow
Kataoka et al., ECSS, 2013

年間累積流入量：2,115m3

AnnuallyFlooding(m3/yr)(m3/10d)(FY2008)(8/25-9/3)

Flooding/Year(%)

6.831 1097.219 108

112,115506

24河川-沿岸海洋におけるプラスチックの動態解明

16

閉鎖性内湾におけるリアルタイム漂流ごみ集積域
予測システムの開発

HFレーダ欠測期間

計算回収量

実回収量

計算回収量−実回収量

河川
水位

河川
流
量

集漂粒
国交省が東京湾と伊勢湾における漂流ごみ
流
積
計
流
子
入 の洋上回収事業に本予測システムを活用
域算
ご追量
予
み跡 測

陸域-海域におけるプラスチックフロー
河川

海岸

沿岸海洋

• 沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態
海岸漂着プラスチックのリモートセンシング技術の開発
海岸におけるプラスチックの再漂流過程の解明

17沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態解明

18

海岸漂着プラのリモートセンシング技術の開発
減少

3-4m減少欠測
清掃(j)Webカメラシステムの全国展開
射影変換 ➔ 被覆面積減少

手動でゴミを検出

清掃

減少
流木

プラスチック系ゴミ

Kataoka et al., Mar. Pollut. Bull., 2012

本研究成果は環境総合推進費B-1007（研究代表者: 磯辺篤彦教授）の一部

沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態解明

19

海岸におけるプラスチックの再漂流過程の解明
Hinterland
前 後MHWL
MWL
MLWL

和田浜海岸

[km]

新規漂着量の時系列

残余率の時系列

Kataoka et al., Mar. Pollut. Bull., 2013

Hinterland

Pacific

新島

太平洋
残余率
（残余数/初期数） 新規漂着量

Beach cliff

Submerged
breakwater

黒潮

Float1
SurveynumberItemnumber2-1
13cm

Float213cm

Float3

10cm
期間: 2011/9/30 - 2013/8/31 (2-3ヶ月毎）
対象: 3種ブイ
内容: 識別番号の採番，GPS測量
h(t) = exp(−kt), k = (4.47 ± 0.34) × 10−3r 2 = 0.852, p < 0.01∞1τr =h(t)dt = =224 days (7.5 months)∫0k95% confidence interval: 208 ≤ τr ≤ 242

沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態解明

20

Time-invariantの仮定

残余率高波浪短期的にみると…
海洋プラスチックの残余率が”パルス的”に減少

高波浪

月単位

長期的にみることで、海洋プラスチックの残余率が”指数関数的”に減少➡プラスチックは一定確率で再漂流➡海岸をTime-invariant linear systemとみなせる
年単位

沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態解明

21

Time-invariant linear input/output system
1 ∞ ⎛ Y (ω ) ⎞ iωt⎜⎟x(t ) =edω∫⎜⎟
2π −∞ ⎝ H (ω ) ⎠Input（Immigration）
x (t)
δ(t)

逆フーリエ 0変換

時間領域BeachBeachingh(t)Output（Remnant）

y (t)Returning

t

周波数領域

Y (ω )X (ω ) =H (ω )単位インパルス応答
h(t) = exp(− t τ r )0Y (ω ) = H (ω ) X (ω )性
特幅増振幅システム関数H (ω ) =∞∫ h(t)exp(−iω t) dt−∞

Kataoka et al., Mar. Pollut. Bull., 2013

フーリエty (t ) = ∫0 x(τ )h(t − τ )dτ変換

A(τ r T )1=2
τr
1 + {2π (τ r T )}

位相性
特相位

θ (τ r T ) = − tan−1{2π (τ r T )}t

沿岸海洋-海岸におけるプラスチックの動態解明

22

海岸でのMP発生に対する海岸清掃効果
海岸清掃効果海岸漂着プラスチックからのMP発生率 yf(t)MP蓄積量

新規漂着量/残余数

MP蓄積量

t

y f (t) = ∫ p(t − τ )x(τ )h(t − τ ) d τ
0p(t-τ)：個々のプラスチックからのMP発生率
x(t)：プラスチックの新規漂着量h(t)：単位インパルス応答

海岸清掃t

MP蓄積量 Y f (t) = ∫0 y f (τ ) d τ
新規漂着量

清掃なし
清掃あり

毎年清掃（極小期）
清掃なし
清掃あり

時間

毎年清掃（極大期）
63%

Kataoka et al., Mar. Pollut. Bull., 2015

隔年清掃（極大期）
84%

55%

本研究成果は科研費（若手研究B）の一部

まとめ
画像解析に基づく河川におけるマクロプラスチック輸送量のリモートセンシング技術の開発(Kataoka and Nihei, Sci. Rep., 2020)

河川海岸
画像解析に基づく海岸におけるマクロプラスチック漂着量のリモートセンシング技術の開発(Kataoka et al., MPB, 2012; Kataoka et al., MPB,2018; Kako et al., MPB, 2018)

現地調査と統計解析に基づき，人口が集中する市街地を流れる汚濁河川でMP汚染が進行していることを解明(Kataoka et al., Environ. Pollut., 2019; Nihei et al., Water, 2020)

現地調査に基づくマクロプラスチッ
クの再漂流過程の解明とMP発生過程の線形システムモデルの構築(Kataoka et al, MPB, 2013; Kataoka et al., MPB,2015; Kataoka and Hinata, MPB, 2015…)

沿岸海洋
海洋リモートセンシング技術（短波海洋レーダ）を活用した漂流ごみ動態の解明と津波・波浪計測技術の開発(Kataoka et al., ECSS, 2013，Kataoka et al., revising)23

若手研究者へのメッセージ•これまでの研究を振り返ってプラスチックの流れを遡って、沿岸海洋(2009-)〜海岸(2010-)〜河川(2016-)で研究に従事してきた➡新しい領域に挑戦することで、研究に関する学術的知識だけでなく、人脈が広がる➡将来の研究への大きな財産になる（はず）•研究活動の楽しさ・魅力
自分のやりたいことを自分の力で成し遂げ、その成果を自分の名前で世に出して学術的・社会的に貢献できる➡多くの研究者の最も好きな言葉は、”Accepted”•海洋プラスチック汚染に関する研究について
次のスライドへ若手研究者へのメッセージ
fromAtmosphereto Landfrom Land toAtmospherefrom Atmosphereto Atmospherefrom Ocean
to Landfrom Ocean toAtmospherefrom Atmosphereto Oceanfrom Ocean to Ocean
from Land
to Ocean• 大気-陸域-海域においてプラスチックが循環している（Zhang et al., 2020）➡ 物質循環
• 水工学・気象学・海洋学だけでなく、化学(環境・材料)・生態学・毒性学など多彩な研究者との共同研究が行える

from Surface
to Bottom

from Bottom
to Surface

我が国の水工学の叡智を結集して海洋プラスチック汚染に一緒に取り組みませんか？

ご清聴ありがとうございました
謝辞

本講演で紹介した研究成果は、研究者への道を切り開いて頂いた愛媛大学日向博文教授、博士後期課程でご指導頂いた豊橋技術科学大学加藤茂教授、大阪大学青木伸一教
授、アカデミアの道にお誘い頂いた東京理科大学二瓶泰雄教授、共同研究でご一緒させて頂いた九州大学磯辺篤彦教授、鹿児島大学加古真一郎助教、Fisheries and Oceans
Canada Cathryn C Murray博士、ハワイ大学Nikolai Maximenko上級研究員など、多くの研究者との共同成果であることをここに記します。